铁路10kV电缆贯通线电容电流补偿度研究

JOURNALOFTHECHINARAILWAYSOCIETYVol.28󰀁AprilNo.22006文章编号:1001󰀁8360(2006)02󰀁0085󰀁04

铁路10kV电缆贯通线电容电流补偿度研究

颜秋容,󰀁刘󰀁欣,󰀁王学锋,󰀁段献忠

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(1.华中科技大学电气与电子工程学院,湖北武汉󰀁430074;2.铁道第四勘察设计院电化处,湖北武汉󰀁430063)摘󰀁要:对铁路沿线车站的供电,广泛采用10kV贯通线模式。贯通线是沿铁路架设、以架空线为主、小部分为电缆的辐射式输电线路。为了提高供电可靠性,近年来,贯通线中电缆比例在上升,甚至为全电缆。电缆比例的提高,显著加大了供电系统的对地电容电流,导致系统单相接地电弧不能自熄,影响中性点不接地系统瞬时故障的自动清除能力。解决贯通线的电缆电容电流带来的上述问题,通常采用在电缆部分并联星形中性点接地电抗器来补偿对地电容电流的方法。本文研究表明:现在使用的0.75补偿度方案,不能确保补偿后的单相接地电流满足电弧自熄条件。本文提出了以单相接地电弧可靠自熄为目标的补偿度选择方案,并推导出相应的补偿度选择条件。为贯通线中电缆的电容电流最优补偿,提出了计算方法。实例计算证实了所提方法的正确性。关键词:贯通线;电容电流补偿;电缆电容中图分类号:U223󰀁󰀁文献标识码:A

StudyonCompenstationofCapacityCurrentsof10kV

RailwayContinuousPowerTransmissionLines

YANQiu󰀁rong,󰀁LIUXin,󰀁WANGXue󰀁feng,󰀁DUANXian󰀁zhong

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(1.CollegeofElectricalandElectronicEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China;2.DepartmentofElectrifiedRailways,TheForthSurveyandDesignInstituteofMinistryofRailways,Wuhan430063,China)

Abstract:10kVcontinuouspowertransmissionlinesarewidelyusedforpowersupplyofrailwaystations.Thecontinuouspowertransmissionlinesareerectedalongtherailwaylinesandmainlyconstructedoftheoverheadtype.Asmallpartofsuchtransmissionlinesarecablesradiatingfromsubstations.Inrecentyears,inordertoimprovethereliabilityofpowersupply,thecablepercentageisgoingupandevensomecontinuouspowertrans󰀁missionlinesarewhollycablelines.Asaresult,thegroundcapacitancecurrentincreasesremarkablysothattheground󰀁faultarccannotbeextinguishedbyitself.Thisreducestheinstant󰀁faultself󰀁removingabilityoftheneutral󰀁ungroundedsystem.Wye󰀁connectedreactorswithneutral󰀁groundingaregenerallyusedtocompensatethecapacitancecurrentsofthecontinuouspowertransmissionlines.Ourstudyshowsthat,withthe0.75com󰀁pensationratio,thetotalground󰀁faultcurrentinsuchsystemsmaybesoheavythattheground󰀁faultarcwouldnotbeextinguishedbyitself.Itisproposedthatcompensationshouldbeaimedatself󰀁extinctionoftheground󰀁faultarc.Acomputationalmethodforchoosingtheoptimumcompensationratiotoguaranteetheground󰀁faultarcself󰀁extinctionisputforward.Acasestudyisgiventoverifytheproposedmethod.

Keywords:continuouspowertransmissionline;compensationofcapacitancecurrent;cablecapacitance󰀁󰀁为了提高铁路沿线车站的供电可靠性,广泛采用10kV贯通线供电模式。贯通线沿铁路架设,平均每50km左右设置一配电所,每条贯通线可分别由其两端的配电所供电,通常一端主供,另一端备用[1,2]。

收稿日期:2005󰀁05󰀁23;修回日期:2005󰀁08󰀁08

作者简介:颜秋容(19󰀂),女,湖南涟源人,副教授。E󰀁mail:yan_qiurong@sina.com

󰀁󰀁贯通线一般以架空线为主。近年来,贯通线中电缆比例在上升,甚至采用全电缆贯通线。10kV三芯

带铠电力电缆与架空线相比,其对地电容电流是架空线的30~100倍。电缆比例的提高,显著加大了供电系统的对地电容电流与相间电容电流

[3,4]

。

铁路10kV中压配电网目前采用中性点不接地运行方式。中性点不接地运行方式的优点是:允许带

86󰀁铁󰀁󰀁道󰀁󰀁学󰀁󰀁报第28卷

单相接地故障运行1~2h,供电可靠性高。这种运行方式适用于对地电容电流小的网络。对于含有一定比例电缆的网络或全电缆网络,对地电容电流可能大到致使单相接地电弧不能自熄的程度[5]。在系统带单相接地故障运行时,电弧反复重燃或稳定燃烧,导致瞬间接地发展为永久接地,甚至扩大为相间短路接地。因此,对电容电流较大的系统,应采取相应的措施。措施之一是改变系统中性点运行方式,将系统中性点经消弧线圈或小电阻接地;措施之二是采用电抗器(电

[8]

感)补偿电容电流。后者是目前铁路10kV贯通线中普遍使用的方法。

文献[8]指出,采用在电缆上集中或分散并联星形连接、中性点接地的电抗器的方法,以补偿电缆部分的电容电流,其最佳补偿度为75%。在75%的补偿度下,贯通线发生单相接地时,健全相和故障相开关处的线路残流是补偿前正常运行时同处线路电容电流的25%,且健全相残流为各种补偿度下的最小值。

本文通过对并联星形连接、中性点接地电抗器补偿方法的全面分析,指出采用并联电抗器补偿时,75%的补偿度满足了补偿后线路残流最小的要求。对于对地电容电流不大于20A的贯通线,75%是最佳补偿度,能确保单相接地电弧自熄。而当贯通线对地电容电流超过20A时,75%的补偿度下接地电弧不能自熄,系统将承受电弧反复重燃产生的过电压和电弧稳定燃烧带来的对电缆的损毁。为此,本文提出了以电弧自熄为根本目标,兼顾线路残流小的要求选择补偿度的方法,并推导出确保电弧自熄的补偿度选择范围表达式,给出了实例计算结果。

[6,7]

在中性点不接地的系统中,发生单相接地故障时,负载电压依然对称,故障不影响负载继续工作。单相接地电容电流小的系统,电弧电流小,可以自行熄灭,能自动清除瞬间性接地故障;对于永久性接地,小的接地电流不至于使故障扩大,允许系统继续供电1~2h,有较充裕时间做好切除故障前的准备工作,提高了供电可靠性。单相接地电容电流大的系统,接地电弧反复重燃或稳定燃烧,导致瞬间性接地变为永久性接地,在电缆上很容易扩大为相间短路接地,需采用电抗器进行补偿。补偿的根本目标是:减小系统的单相接地电流,直至确保接地电弧自熄;在此前提下,再兼顾线路容性残流小的要求。残流小,可以降低对隔离开关开断能力的要求。

对电缆接地电弧熄灭情况的研究表明[4],电缆电弧可靠自熄的最低电流为:全塑电缆25A;油浸纸介质电缆15A;交联电缆10A。中压电缆多为交联电缆,因此10A是铁路10kV电缆配电网最大允许单相接地电流。

1.2󰀁单相接地故障电流计算

图2为三芯带铠电缆贯通线电抗器补偿模型,C1

为单位长度相对地电容,C2为单位长度相间电容,L为补偿电抗器的电感。

1󰀁电抗器补偿原理

1.1󰀁补偿目标

铁路10kV贯通线是一种接线简单且形式固定的配电方式,图1为10kV贯通线示意图。采用并联电抗器补偿电缆部分的电容电流,相对采用系统中性点经消弧线圈或小电阻接地的措施,技术简单,节省投资。补偿后的网络,具有中性点不接地运行方式的优点,与铁路配电可靠性要求较高的特点相适应。

经推导,当A相发生接地故障时,接地电流󰀁Id、故障相开关处残流󰀁IA、健全相开关处残流󰀁IB的计算公式分别为式(1)~式(3)。

Id=j(3󰀁󰀁C1l-3)U󰀁A

󰀁LIA=j[3󰀁(C1+C2)l-3]󰀁󰀁UA

󰀁LIB=[󰀁

(1)(2)

31(󰀁C1l-)+2󰀁L33j(󰀁C1l-+3󰀁C2l)󰀁UB(3)22󰀁L

1.3󰀁补偿度选择

补偿度󰀂为系统正常时,补偿电感电流IL与补偿前线路开关处电容电流IC12的比值。由图2可知,系统正常时,IC12=󰀁(C1+3C2)lUA,IC1=󰀁C1lUA,IL=UA/󰀁L。故

1IL󰀁L󰀂==(4)IC12󰀁(C1+3C2)l第2期铁路10kV电缆贯通线电容电流补偿度研究󰀁87

󰀁󰀁假设电缆参数3C2=kC1,结合式(4),由式(1)~式(3)可得

Id=|3-3󰀂(1+k)|IC1

IA=|2+(1-3󰀂)(1+k)|IC1

IB=

21+(1-3󰀂)(1+k)+(3󰀂-3󰀂+1)(1+k)2IC1

得的󰀂应满足下式

|3-3󰀂(1+k)|IC1式中,Iarcm为电缆电弧自熄的最大电流。取能使线路残流最小的󰀂值。

(11)

(5)(6)

由式(11)计算出的󰀂为一取值范围,选取时应选

(7)

󰀁󰀁一般三芯带铠电缆的k接近于1。取k=1,则IC12=2IC1。式(5)~式(7)可进一步简化为

Id=|3-6󰀂|IC1IA=|4-6󰀂|IC1IB=

27-18󰀂+12󰀂IC1

2󰀁实例计算

YJV22型、截面95mm、长度20km的三芯交联

电缆贯通线,总对地电容电流3IC1=29.8A。正常工作时线路容性电流IC12=19.9A( 2IC1),单相金属接地电流29.8A。若取󰀂=0.75,则补偿电感电流IL=14.9A。若以电弧自熄为补偿目标,Iarcm=10A,k=1,据式(11),0.332<󰀂<0.668。对照图3可知,󰀂取值约为0.668时,可兼顾线路残流小的要求,故取󰀂=0.66。补偿电感电流IL=13.1A。󰀂=0.75和󰀂=0.66下各电流值列于表2中。

表2󰀁20km贯通线󰀂=0.75和󰀂=0.66

时的各电流对照

运行状态正常单相接地

线路开关处电流各相IBIAId

无补偿IL=019.926.339.729.8

0.75补偿度IL=14.9A

5.05.05.014.9

0.66补偿度IL=13.1A

6.85.80.49.5

2

(8)(9)(10)

󰀁󰀁按式(8)~式(10)绘出各电流随󰀂变化曲线,见图3,纵坐标为IC1的倍数。不难看出,接地电流Id、故障相残流IA和健全相残流IB的最小值分别对应于不同的补偿度,此3种补偿度下各电流大小列于表1。在󰀂=0.75时,健全相残流最小,与文献[7]结论一致,但接地电流较大。以交联电缆为例,若取󰀂=0.75,只有当接地电流0.75IC12小于10A,才能保证电弧自熄,即3IC1<20A。这表明:选择0.75的补偿度,仅在3IC1<20A时,既能实现交联电缆贯通线电弧自熄,又能使健全相残流最小,故障相残流与健全相残流相等,为最佳补偿。

上述电缆长度增加到37km时,总对地电容电流3IC1=55.1A。正常工作时线路容性电流IC12=36.8A( 2IC1)。单相金属接地电流为55.1A。取󰀂=0.75,则补偿电感电流IL=27.6A。若以电弧自熄为补偿目标,则0.409<󰀂<0.591,取󰀂=0.58,补偿电感电流IL=21.3A。󰀂=0.75和󰀂=0.58下各电流值列于表3中。

表1󰀁3种补偿度下的残流

补偿度正常时各线路残流

IA

单相接地时各相残流

Id

0(最小值)

1.00IC1(感性)

1.50IC1(感性)

IB

1.00IC1(容性)

0.57IC1(容性)

󰀂=0.5001.00IC1(容性)1.00IC1(容性)

󰀂=0.6670.67IC1(容性)0(最小值)

󰀂=0.7500.50IC1(容性)0.50IC1(感性)

0.50IC1(容性最小)

表3󰀁37km贯通线󰀂=0.75和󰀂=0.58时的各电流对照

运行状态正常单相接地

线路开关处电流各相IBIAId

无补偿IL=036.848.673.555.1

0.75补偿度IL=27.6A

9.39.29.227.6

0.58补偿度IL=21.3A

15.514.29.68.8

综上所述,补偿度的选择原则是:在确保电弧自熄的前提下兼顾线路容性残流小的要求,即由式(5)求总对地电容电流3IC1的大小决定了󰀂的取值范

围。3IC1越大,󰀂的取值范围越趋近0.5。进一步的分析归纳于表4。

88󰀁铁󰀁󰀁道󰀁󰀁学󰀁󰀁报第28卷

表4󰀁YJV22󰀁95mm2交联电缆贯通线不同长度下的󰀂值

l/km<6.710.013.420.030.040.050.0

3IC1/A<10.014.920.029.844.759.674.5

0.165<󰀂<0.8360.250<󰀂<0.7500.332<󰀂<0.6680.388<󰀂<0.6120.416<󰀂<0.5840.423<󰀂<0.567

󰀂的范围

最佳󰀂值0.750.750.750.660.610.580.56

趋近0.5直接取0.75临界点

随着系统电容电流的增大,满足电弧自熄条件的补偿度范围减小,工程实际中难以实现。因此电抗器

补偿措施用于电容电流较大的贯通线(如全电缆贯通线)时,补偿效果不理想。

参考文献:

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[8]铁道部专业设计院.铁路工程设计技术手册-电力[M].

北京:中国铁道出版社,1991.322󰀂324.

实例分析表明:在󰀂=0.75时,线路残流小,有利于线路开断,但电弧不能自熄;在据式(11)并兼顾线路容性残流选择󰀂时,线路残流稍大,但电弧可靠自熄,且补偿容量比前者小。综合比较,后者更合理。当3IC1!20A时,二者结论一致。

3󰀁结论

采用并联电抗器补偿贯通线中电缆部分的电容电流时,应以电缆发生单相金属接地故障时电弧能可靠自熄为根本目标,在满足此条件下,可兼顾线路残流小的目标。

对于交联电缆,系统对地电容电流不大于20A时,0.75是最佳补偿度,否则,补偿度应满足式(11)所确定的范围。

工程应用时,由于电抗器的容量不可连续选择,因而不一定能实现最佳补偿度。选择电抗器容量时,优先保证电弧自熄条件。

(责任编辑󰀁何󰀁芳)